Video resumen Historia de la transmisión Quattro (II)
Hemos dividido este artículo en dos partes por su extensión.
En la primera parte comentábamos los inicios y evolución de la transmisión Quattro, desde la generación de la idea en 1977 hasta 2005.
En esta segunda parte retomamos la historia desde la siguiente evolución hasta la fecha actual (2019).
Citábamos en la primera parte al final del artículo, otros artículos relacionados y también enlaces con información complementaria, hacemos lo mismo en esta segunda parte incluyendo todos los que tienen relación con las dos partes, en el blog y en otros enlaces.
Motor longitudinal delantero. Transmisión Quattro con diferencial trasero “torque vectoring” desde 2008
Diferencial activo trasero
Este diferencial se denomina en otras marcas activo y se ubica en el eje trasero, pudiendo ser este el único eje motriz del coche.
Si se dispone de 4×4, como el tema de este artículo, el diferencial activo o “torque vectoring” para Audi está en el eje trasero, como se representa en la imagen inicial:
- Partimos de un automóvil 4×4 con diferencial central, sin entrar en la tecnología que lleva para controlar del deslizamiento de las ruedas de los ejes, nos centramos en el eje trasero que dispone de diferencial activo, “torque vectoring” para Audi
- Se pone en marcha el automóvil y se ve la actuación del diferencial activo trasero en curvas
- Mediante conjuntos de engranajes, discos en aceite y motores eléctricos este sistema de diferencial aporta a cada rueda trasera el par y la velocidad que le corresponde por el radio de la curva, se logra un efecto direccional trasero, como se explica a continuación, y que no patinen las ruedas
- No se utiliza el diferencial activo en las ruedas delanteras, tanto si el automóvil es de tracción (delantera) como en este caso 4×4, al no necesitar efecto direccional estas ruedas, pues ya lo tienen al girar el volante y tomar las ruedas la dirección solicitada que guía la trayectoria del automóvil
- Las ruedas traseras al girar a diferente velocidad, más la exterior que la interior, por la actuación del diferencial activo inducen un efecto de rotación del automóvil, similar al que se utiliza en un vehículo oruga con cadenas, un lado gira más rápido que el otro
- Si circulando en recta una de las ruedas traseras desliza al pasar por piso de baja adherencia, el diferencial activo mantiene la misma velocidad y par en las dos ruedas traseras, pues es lo que indica el volante al estar recto, manteniendo capacidad de avance.
- En realidad, la rueda con menos adherencia “consume” menos par pero no gira sobre sí misma, manteniéndose el giro de la otra que recibe el par resultante
Este tipo de diferencial tiene como objetivo aportar a cada rueda motriz del eje trasero la velocidad y par motor que le corresponde por el ángulo de giro del volante de dirección.
Como se ha comentado, si se circula en recta y una rueda trasera pasa por piso deslizante y patina, el diferencial activo mantiene la misma velocidad que la otra siguiendo avanzando el automóvil y evitando pérdidas de trayectoria.
El comportamiento es como si las dos ruedas traseras se moviesen por un motor eléctrico cada una de ellas, a la velocidad exacta según el giro del volante.
Funcionamiento del diferencial activo trasero
- Al tomar una curva a la izquierda o a la derecha el diferencial activo trasero adapta con extrema precisión la velocidad y el par que corresponde a cada rueda del eje según el ángulo de giro del volante, para generar un efecto direccional además de evitar posibles deslizamientos de las ruedas por baja adherencia
- Tiene el diferencial activo conjuntos de engranajes epicicloidales accionados por motores eléctricos y discos en baño de aceite en cada una de las salidas del diferencial a las ruedas
- El control electrónico ajusta con máxima precisión la distribución de par y velocidad para cada rueda motriz trasera, induciendo efectos direccionales como si fuesen también directrices.
- Es como toma las curvas un vehículo oruga o tanque con cadenas, que incluso puede llegar a girar sobre sí mismo parando la cadena de un lado y girando la del otro
Otro ejemplo es cómo cambia de dirección una barca con remos, parando los de un lado y para girar en esa dirección, mientras los del otro lado siguen actuando.
Con el diferencial activo se puede reducir la tendencia al deslizamiento de las ruedas motrices del eje trasero en recta y curva, por efecto de exceso de aceleración o pérdida de trayectoria, disminuyendo apreciablemente la intervención de los controles de tracción en aceleración (CTA) y de estabilidad y trayectoria en curva (CETC).
Motor longitudinal delantero. Transmisión Quattro ultra 2017
4×4 con un diferencial delante y otro detrás sin diferencial central. Discos en aceite en las conexiones de salida de la transmisión trasera y del diferencial trasero con sus ruedas con control electrónico
Se representan los componentes principales de este sistema en la imagen de inicio, son dos grupos de conjuntos de discos en aceite, uno en la salida de la transmisión a las ruedas traseras, y otro en la conexión entre la corona del diferencial trasero y la salida a las transmisiones de las ruedas:
- Motor longitudinal delantero por delante del eje, detrás de la caja de cambios la caja de transferencia
- Desde la caja de transferencia sale el árbol de transmisión hasta el diferencial delantero, y desde este las transmisiones o palieres a las ruedas
- Dentro de la caja de caja de transferencia hay en la salida hacia la transmisión trasera una cámara de aceite con dos grupos de discos
- De esos dos grupos de discos unos están acoplados a la transmisión delantera y otros a la salida hacia la transmisión trasera
- Llega el árbol de transmisión trasero a su diferencial, en el que hay otros dos grupos de discos, unos acoplados a la corona del diferencial y otros a los engranajes del diferencial que van a las transmisiones de las ruedas
Detalles de los dos conjuntos de grupos de discos, en la salida de la transmisión trasera y dentro del diferencial de este eje:
- La imagen ampliada inferior izquierda representa a los discos en la salida hacia la transmisión trasera, que se pueden desplazar longitudinalmente; si están separados los discos solamente son motrices las ruedas delanteras, y si están comprimidos sale par motor hacia el diferencial trasero. El control de actuación de los discos es electrónico
- En la imagen ampliada inferior derecha se ve el diferencial trasero y la actuación de los discos en aceite; pueden separar o conectar la corona del diferencial con los engranajes de las transmisiones a las ruedas traseras. El control es electrónico
Circulando el automóvil en recta, curva y sobre pisos con adherencia variable va actuando el sistema Quattro ultra de esta forma:
- Con buena adherencia y conducción normal son motrices solamente las ruedas delanteras, las transmisiones de las ruedas traseras hacen girar a los engranajes del diferencial y la corona, con mínimos rozamientos.
- El árbol de transmisión desde la caja de trasferencia al diferencial trasero no gira
- Con adherencia escasa en las ruedas delanteras, se conectan de forma prácticamente instantánea los discos de salida de la transmisión trasera y de conexión del diferencial trasero con las transmisiones de sus ruedas.
- Pueden ser acoplamientos variables adaptando el par a las ruedas traseras según la adherencia disponible en las delanteras en cada momento
- El control electrónico de sistema Quattro ultra puede entrar en acción antes de que se produzcan pérdidas de adherencia, según las informaciones de sus múltiples sensores, estilo de conducción y otras variables, para contar con las aportaciones de capacidad de avance de las cuatro ruedas motrices cuando son útiles y aportan más seguridad activa o primaria
Se puede resumir el sistema de transmisión Quattro ultra en tres frases:
- Tracción (delantera) con buena adherencia y conducción normal
- 4×4 cuando hace falta o es útil, incluso actuando con anticipación
- Menos consumo de combustible cuando se circula con tracción (delantera) exclusivamente, es de hecho el principal objetivo de este sistema
Con el paso del tiempo, la moda de los coches 4×4 para utilización normal ha ido disminuyendo bastante por el mayor consumo de combustible, pues sus ventajas son realmente apreciables en zonas con pisos deslizantes o climatología adversa, incluso los SUV tienen versiones con un único eje motriz y son las que más se venden.
Sigue habiendo marcas y modelos que mantienen 4×4 permanente, sobre todo en modelos con valores altos de par, pero lo más frecuente es que el 4×4 sea auto conectable, es decir un eje es motriz permanente y el otro se auto conecta en las situaciones en que aporta ventajas.
Es lo que sucede en el sistema explicado Quattro ultra, y similar al que se va a ver a continuación que se denomina Quattro, aunque la implantación y tecnología es bastante diferente a lo que se ha visto hasta ahora.
Los todoterreno mantienen por supuesto 4×4, conectable o permanente y con reductora, pero quedan escasos automóviles con estas características de los bastantes que ha habido anteriormente.
Motor transversal delantero. Transmisión Quattro con sistema “Haldex” y evolución desde 1996
Tracción (delantera) permanente y 4×4 auto conectable por discos en baño de aceite accionados por bomba
En la imagen de partida se incluye la interpretación del sistema Quattro de Audi con otra implantación técnica diferente a la hasta ahora vista:
- Motor transversal delantero (a la derecha) y tracción (delantera)
- El diferencial está integrado en la caja de cambios, y desde este salen los palieres o transmisiones a las ruedas delanteras motrices
- Desde la corona del diferencial delantero sale el árbol de transmisión hacia las ruedas traseras, llegando a una cámara llena de aceite
- En el interior de esta cámara está el árbol de transmisión trasero que continúa hasta el diferencial de este eje
- Dentro de la cámara de aceite hay además dos grupos de discos, un grupo gira solidario al árbol de transmisión que viene del diferencial delantero y el otro gira con el árbol de transmisión trasero. Los discos de momento están separados, no pasa par al árbol de transmisión trasero, funcionamiento exclusivamente con tracción (delantera)
- El árbol de trasmisión que viene del diferencial delantero acciona una bomba de aceite y el árbol trasero una válvula de paso
- Desde la bomba sale un conducto de aceite hacia el interior de la cámara de los discos, en este conducto hay una derivación que llega a la entrada de la válvula de paso en el árbol de transmisión trasero, y desde la salida de la válvula de paso parte otro conducto que llega a la entrada de la bomba de aceite
Detalles de la bomba de aceite, en el árbol de transmisión que viene del diferencial delantero, y de la válvula de paso en el árbol de transmisión trasero:
- La bomba de aceite genera presión al girar el árbol de transmisión que la mueve cuando gira la corona del diferencial delantero
- La válvula de paso está abierta, comunicando su entrada y salida, cuando el árbol de transmisión del diferencial delantero y el trasero giran a la misma velocidad.
- El aceite sale de la bomba y retorna sin aumentar la presión en el interior de la cámara de aceite, los discos están separados y solamente hay tracción (delantera)
- En estas condiciones de marcha son motrices las ruedas delanteras, las traseras giran arrastradas por el automóvil sin que aporten efectos motrices
- Cuando la velocidad del árbol de transmisión trasero es inferior a la del que entra a la cámara desde el diferencial delantero (deslizamiento de las ruedas delanteras), la válvula de paso se va cerrando.
- Al no pasar aceite por la válvula de paso la presión de la bomba entra en la cámara de aceite comprimiendo los discos, haciendo que pase par por el árbol de transmisión trasero al diferencial y ruedas de este eje, 4×4
- Se pone en marcha el automóvil y se representan las actuaciones de este sistema Quattro con menor adherencia en las ruedas delanteras y en las de un lado, variando estas situaciones
- Al perder adherencia las ruedas delanteras, se acoplan progresivamente los discos de la cámara de aceite entrando en acción la propulsión (tracción trasera), 4×4, al igualarse las velocidades de las ruedas delanteras y traseras, por el acoplamiento de los discos, abre la válvula de paso reduciendo la presión de aceite que entra en la cámara, desacoplando los discos. Estas acciones se van repitiendo hasta que las ruedas delanteras dejan de deslizar
- La adherencia desigual entre las ruedas de cada lado se compensa con la intervención del diferencial autoblocante trasero, que hace acto de presencia y actuación.
- La bomba de aceite accionada por el árbol de transmisión que parte de la corona del diferencial delantero implica un funcionamiento mecánico – hidráulico.
- Se mejoran, agilizan y anticipan las secuencias de intervención del 4×4 añadiendo una o más bombas eléctricas complementarias, funcionamiento electrohidráulico.
Este sistema que Audi denomina Quattro en sus modelos con motor delantero transversal y tracción (delantera) es la tecnología “haldex”, utilizada por otras marcas en modelos con esta implantación técnica.
Motor longitudinal central. Transmisión Quattro en automóvil estrictamente deportivo desde 2006
Propulsión (tracción trasera) permanente con tracción (delantera) auto conectable por viscoacoplador o discos en aceite y control electrónico
La imagen con la que empezamos es del Audi R8 indicando la posición del elemento encargado de conectar el sistema 4×4:
- Motor longitudinal central y propulsión (tracción trasera)
- El diferencial está integrado en la caja de cambios y es autoblocante
- Desde la corona del diferencial trasero parte un árbol de transmisión hacia adelante
- Este árbol de transmisión entra en una cámara, el viscoacoplador, que contiene aceite de silicona con determinado porcentaje de aire
- En el interior del viscoacoplador hay otro árbol de transmisión, acoplando a su carcasa en la imagen, que llega al diferencial delantero
- Dentro del viscoacoplador se encuentran dos conjuntos de discos perforados, un conjunto está acoplado al árbol que viene desde el diferencial trasero y el otro a la carcasa del viscoacoplador que, en la imagen, es solidario al árbol de transmisión delantero
Detalles del viscoacoplador; el aceite de silicona con aire que contiene tiene la particularidad de que si se cizalla por turbulencias aumenta instantáneamente su presión, como si se solidificase, para retornar a la situación anterior rápidamente, repitiendo las secuencias hasta que desaparecen las turbulencias:
- Carcasa del viscoacoplador con las transmisiones delantera, en la imagen solidaria a la carcasa, y trasera
- Dos conjuntos de discos perforados, uno acoplando a la transmisión del eje trasero y otro a la carcasa que es solidaria a la transmisión delantera.
- Las perforaciones de los discos son para generar turbulencias en el aceite de silicona si giran a distinta velocidad
- Si las transmisiones trasera y delantera giran a la misma velocidad los discos a las que están asociadas hacen lo mismo no habiendo cizallamiento de la silicona.
- Son motrices exclusivamente las ruedas traseras, las delanteras se mueven por el efecto de arrastre del automóvil sin aportar motricidad
- Si las ruedas traseras deslizan, su transmisión y discos asociados, giran más rápido que la transmisión delantera y sus discos, lo que provoca cizallamiento del aceite de silicona con el consiguiente efecto de bloqueo de viscoacoplador.
- Se reproduce este efecto en las imágenes de los detalles, y en la de la izquierda en perspectiva se ven las dos posiciones; viscoacoplador libre y bloqueado.
- En posición libre son motrices las ruedas traseras, bloqueado también las delanteras en un determinado porcentaje según la cantidad de aire en el aceite de silicona que contiene por diseño
- Circula el automóvil sobre firmes con adherencia variable; si deslizan las ruedas traseras el viscoacoplador va actuando intermitentemente, bloqueo (par a las ruedas delanteras) y desbloqueo (ruedas traseras motrices solamente), hasta que las ruedas traseras dejan de deslizar.
- El patinamiento de las ruedas traseras de cada lado se reduce al actuar el efecto autoblocante del diferencial trasero
- Según versiones de este modelo pueden equipar en sustitución del viscoacoplador un sistema de discos en baño de aceite controlado electrónicamente, así las ruedas motrices delanteras pueden entrar en acción en más situaciones, incluso preventivas antes de que deslicen las ruedas traseras motrices permanentes
La aplicación del 4×4 en este automóvil es claramente con objetivos prestacionales, pues el par y potencia disponibles son muy altos lo que provoca fácilmente perdidas de motricidad en las ruedas traseras incluso con buena adherencia, que se reducen al repartir el par con las delanteras.
Estas mejoras se aprecian tanto en aceleración como curvas en zonas en las que se puede rodar a muy alta velocidad, habitualmente circuitos cerrados, y compensan los mayores rozamientos inherentes al 4×4.
Con los sistemas electrónicos de control de tracción en aceleración (CTA) y control de estabilidad y trayectoria en curva (CETC), se puede ayudar a mantener la capacidad motriz y trayectoria del automóvil.
Pero estos sistemas han de frenar y decelerar electrónicamente al detectar pérdidas de motricidad y/o trayectoria, lo que se produciría en menor medida con el 4×4 variable al repartir el par disminuyendo el que cada rueda ha de pasar al suelo, y en consecuencia su tendencia a patinar.
e tron Quattro desde 2018
Tracción (delantera) y propulsión (tracción trasera) por motores eléctricos
En el coche de la imagen inicial se ve el concepto de 4×4 eléctrico con baterías de tracción:
- Hay un diferencial en cada eje con sus palieres o transmisiones a las ruedas
- Cada diferencial es accionado por un motor eléctrico mediante su sistema de transmisión y reductora, es como una caja de cambios de una sola relación
- La electricidad es aportada por uno o más conjuntos de baterías de tracción, las que mueven el automóvil
- Otra batería hace las funciones habituales similares a los coches térmicos, es la batería de servicio
- El control de tránsito de la energía desde las baterías de tracción a los motores eléctricos y a la inversa, se hace mediante un calculador electrónico que está conectado con todos los elementos y sistemas relacionados con el desplazamiento eléctrico del automóvil
- El cableado de alta tensión es de color naranja y para ser manipulado se ha de disponer de cualificación acreditada
- Al acelerar, la electricidad va de las baterías de tracción a los motores eléctricos avanzando el automóvil, al decelerar o frenar actúan los motores eléctricos como generadores recargando las baterías
- Como se ha comentado el calculador electrónico se encarga de gestionar estas funciones
- Hay varios sistemas de funcionamiento seleccionables por el conductor, elegimos uno de estos
- Se pone en marcha el automóvil y es el motor eléctrico delantero el que entra en acción, son motrices las ruedas delanteras y las traseras giran arrastradas por el automóvil
- Cuando es útil o necesario complementa al motor eléctrico trasero al delantero, funcionando en 4×4
- El deslizamiento entre las ruedas delanteras y traseras se compensa con el funcionamiento de los dos motores, circulación en tracción (delantera), propulsión (tracción trasera) o 4×4
Para evitar o reducir el deslizamiento de las ruedas de un lado se puede disponer de sistemas electrónicos de control en los diferenciales, pero hay otras formas de hacerlo, una es el control de tracción en aceleración CTA integrado en el ABS que funciona así:
- Al tender a girar más rápido de lo debido una o más ruedas, el CTA la/s frena intermitentemente para evitarlo hasta que gira/n a la velocidad que corresponde sin deslizar sobre el suelo, simultáneamente los motores eléctricos adaptan su velocidad
La marcha atrás se hace invirtiendo el sentido de giro del motor o motores eléctricos.
En automóviles híbridos, con motor térmico y eléctrico, el 4×4 se puede lograr haciendo que uno de los motores (térmico o eléctrico) mueva las ruedas de un eje y el otro motor (eléctrico o térmico) las ruedas del otro eje.
Actuando de una u otra forma según la selección del conductor en los mandos de control o situaciones de circulación, tracción (delantera), propulsión (tracción trasera) o 4×4.
El siguiente paso de 4×4 con baterías de tracción es que haya un motor en cada rueda, prescindiendo de los diferenciales, las capacidades control dinámico del automóvil aumentan considerablemente con este sistema.
Comentario personal
Al tocar el tema del automóvil eléctrico, no puedo dejar de comentar lo que detecto en la publicidad que se está ofreciendo.
Prácticamente todas las marcas que disponen de coches eléctricos, más en las que tienen gamas altas, se indican cifras de potencia muy elevadas con aceleraciones exuberantes en sus modelos eléctricos, para luego dar valores de autonomía más que medios y tiempos de recarga rápida muy cortos.
Si mezclamos todo esto el resultado real es este; la aceleración y velocidad elevada reducen drásticamente la autonomía, y la recarga rápida habitual degrada las baterías.
La recarga en red más adecuada es lenta y lleva bastantes horas.
Termino este comentario personal; la tecnología del futuro, que podría ser actual, es la pila de combustible de hidrógeno, a la que se llegará cuando sea posible.
Las razones de las demoras en su implantación generalizada en el automóvil no son técnicas.
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